激光加熱輔助引弧微爆炸加工工程陶瓷的試驗研究

田欣利，李富強，張保國，王朋曉，吳志遠

(裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室，北京100072)

引弧微爆炸加工(Micro-Detonation of Striking Arc Machining，MDSAM)作為一種新型的針對工程陶瓷材料粗加工的特種加工方法，成為當前加工工程陶瓷的一種有效手段。試驗證明:該技術(shù)能用于加工陶瓷孔、平面、槽、外圓、復(fù)雜異型面等多種形狀的工件，加工成本低、效率高，工作穩(wěn)定可靠;但也同時存在著加工表面粗糙、尺寸精度不高、容易造成崩碎等問題［1-3］。

激光加熱輔助切削(Laser Assisted Machining，LAM)，即采用激光作為外加熱源先于刀具加熱軟化陶瓷工件，然后將軟化的材料去除。在此過程中，陶瓷材料的屈服應(yīng)力和硬度降低，其變形特征從脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄曰疲牧宪浕邢髁档汀AM具有加工效率高、成本低、加工質(zhì)量好，工件形狀和處理部位可以任意選擇，可在短時間內(nèi)實現(xiàn)微小區(qū)域表面的快速加熱，以及易于實現(xiàn)自動化和多工位聯(lián)合作業(yè)等優(yōu)點［4-7］。借鑒LAM的機理，筆者將其應(yīng)用于工程陶瓷MDSAM中，很好地解決了MDSAM存在的不足。

1 系統(tǒng)設(shè)計

為了對激光加熱輔助引弧微爆炸加工過程進行理論分析和試驗研究，基于現(xiàn)有條件，筆者構(gòu)建了試驗系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)由引弧微爆炸加工系統(tǒng)和光束傳導(dǎo)系統(tǒng)2大部分組成，光束傳導(dǎo)系統(tǒng)將激光器產(chǎn)生的激光束傳導(dǎo)至被加工試件的表面進行預(yù)熱，然后由引弧微爆炸加工系統(tǒng)完成對試件的加工。

圖1 激光加熱輔助引弧微爆炸加工試驗系統(tǒng)

1.1 光束傳導(dǎo)系統(tǒng)

激光束由激光器發(fā)射產(chǎn)生，呈水平方向，距離地面一定高度，若不借助光束傳導(dǎo)裝置，則激光束無法照射到放置于三維數(shù)控工作臺上的陶瓷試件表面。為此，需要設(shè)計激光束傳導(dǎo)系統(tǒng)，以改變激光的傳播方向和照射位置。基于實驗室現(xiàn)有條件，筆者對采用該方法加工陶瓷的光束傳導(dǎo)系統(tǒng)進行了設(shè)計，其原理如圖2所示。反射鏡1固定于激光器上，反射鏡2安裝在與激光器連接且上下可以調(diào)節(jié)的連接件上，激光束經(jīng)這2面反射鏡傳播可以自由升降。反射鏡3和凸透鏡4裝于一個鏡筒內(nèi)，并安裝在數(shù)控銑床上，鏡筒能夠上下、左右調(diào)節(jié)及旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了光束的左右調(diào)節(jié)。激光通過反射鏡3反射和凸透鏡4聚焦后，照射于試件表面，對試件進行加熱。反射鏡后面安裝冷卻水循環(huán)裝置，采用水冷的方式將激光束照射所帶來的大量的熱量迅速傳遞出去，以使反射鏡能長時間持續(xù)工作。

圖2 光束傳導(dǎo)示意圖

1.2 引弧微爆炸加工系統(tǒng)

引弧微爆炸加工系統(tǒng)主要包括空氣壓縮機、專用脈沖電源、三維數(shù)控工作臺和微爆炸發(fā)生器，如圖3所示，主要任務(wù)是完成對工件的加工。

圖3 引弧微爆炸加工系統(tǒng)

2 試驗條件與方法

2.1 試驗條件

試驗中采用的激光器為浙江華鐳激光科技有限公司生產(chǎn)的中功率 CO2激光器，功率最大值為300 W，激光波長為10.6 μm，并連續(xù)輸出。

試件材料為反應(yīng)燒結(jié)Si3N4陶瓷，其具有高硬度、耐磨、耐蝕和質(zhì)輕等優(yōu)良性能［8-9］，密度為3 200 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為16.8 W/(m·℃)，比熱容為840 J/(kg·℃)。各制備試樣6塊，尺寸為56 mm×47 mm×10 mm。

2.2 試驗方法

對Si3N4陶瓷進行一維加工，打點5次，測量凹坑的直徑與寬度。試驗參數(shù)如表1所示。

對Si3N4陶瓷進行二維加工，即加工槽。加工長度為30 mm，測量時每隔5 mm取樣一次，測量取樣點的深度與寬度。進給速度取50 mm/min，其他參數(shù)見表1。

將獲得的試驗數(shù)據(jù)與單獨進行引弧微爆炸加工試驗相比較，以材料去除率和邊緣崩碎為指標進行分析。

3 試驗結(jié)果與分析

一維加工試驗中，凹坑如圖4所示，直徑為5.30 mm，深度為1.60 mm。而單獨進行引弧微爆炸加工時凹坑直徑為3.74 mm，深度為1.30 mm。因此可以看出:引入激光加熱輔助后，坑的直徑和深度大小都得到了提高，即使用激光加熱輔助后材料去除率得到了提高。

表1 一維加工參數(shù)選擇

圖4 Si3N4陶瓷蝕坑表面形貌

二維加工結(jié)果如圖5所示，測得試驗數(shù)據(jù)如表2所示。溝槽截面采用拋物線擬合，設(shè)平均寬度為a，平均深度為h，則截面面積S(a，h)=2ah/3。代入數(shù)據(jù)得:無激光加熱輔助加工時去除量為50.09 mm3，采用激光加熱輔助加工時去除量為76.62 mm3。因此可以看出:激光加熱輔助引弧微爆炸加工明顯提高了加工的效率。而尺寸方差本質(zhì)上反映出Si3N4陶瓷工件在加工過程中崩碎的程度，方差越小，則崩碎越少，尺寸精度越高。進行激光加熱輔助引弧微爆炸加工，凹槽寬度和深度的方差都明顯減小，即崩碎得到了改善。

表2 二維加工試驗結(jié)果

激光加熱輔助引弧微爆炸加工提高了材料去除率。因為引入激光照射使輸入的能量密度提高，工件整體溫度升高，材料去除范圍相應(yīng)擴大，故使得材料去除效率增大。

單獨使用引弧微爆炸加工，Si3N4陶瓷工件易發(fā)生崩碎，原因是:引弧瞬間在陶瓷材料表面產(chǎn)生高溫，而后又快速冷卻，產(chǎn)生很高的熱應(yīng)力，在工件表面產(chǎn)生大量裂紋，加工點中心溫度高，變質(zhì)層材料被氣化去除，而邊緣處溫度不足，無法氣化去除，在微爆炸沖擊力作用下，裂紋迅速向表面擴展，由于陶瓷材料具有高脆性，導(dǎo)致部分邊緣材料以脆性斷裂去除，形成崩碎。激光加熱輔助引弧微爆炸加工可以改善和有效控制崩碎的原因有2方面:一方面激光的預(yù)熱作用降低了引弧微爆炸加工瞬間的熱應(yīng)力，減少了裂紋的產(chǎn)生;另一方面，提前加熱陶瓷工件至脆塑轉(zhuǎn)變溫度，使陶瓷材料的變形特征從脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危黠@減小了脆性斷裂。

4 加工參數(shù)對材料去除率和崩碎的影響

4.1 加工參數(shù)對材料去除率的影響

激光加熱輔助引弧微爆炸加工陶瓷過程的工藝參數(shù)包括激光工藝參數(shù)和引弧微爆炸加工參數(shù)，本文主要研究激光參數(shù)對加工過程的影響，包括激光功率、光斑尺寸和加熱點到加工點距離。

4.1.1 激光功率對材料去除率的影響

圖6為采用不同功率(分別為100、150、200、250 W)的激光加熱輔助加工工程陶瓷，測得的凹槽平均寬度和平均深度。可以看出:隨著激光功率的增加，凹槽的平均寬度和平均深度增加，即材料去除率增加。其原因為:激光功率增加，則輸入到陶瓷工件的能量增大，且照射到工件表面的激光熱流密度也增大，而能量和熱流密度的增大都會導(dǎo)致試件表面溫度的升高，進而擴大了陶瓷試件的去除區(qū)域。

圖6 激光功率對加工尺寸的影響

然而，激光功率也不能過高，否則，在預(yù)熱階段試件的局部溫度將達到甚至超過陶瓷材料的熔點，從而導(dǎo)致材料在預(yù)熱時就被去除，失去了預(yù)熱輔助加工的意義。因此，適當提高激光功率，可以提高試件表面的溫度，降低待切削材料的硬度和強度，擴大試件待切削軟化區(qū)域，提高加工效率，有利于輔助引弧微爆炸加工。

4.1.2 光斑尺寸對材料去除率的影響

圖7為以不同光斑尺寸(光斑尺寸用光斑面積表示，分別為 3.58、5.32、6.53、8.48 mm2)的激光加工工程陶瓷，測得的凹槽平均寬度和平均深度。可以看出:隨著光斑面積的增大，凹槽的平均寬度和平均深度減小，即材料去除率減小。其原因是:當激光功率一定時，光斑面積越大，則熱流密度越小，單位面積獲得的能量越小，導(dǎo)致溫度降低，進而縮小了陶瓷試件的去除區(qū)域。

圖7 光斑尺寸對加工尺寸的影響

激光加熱輔助引弧微爆炸加工過程中，若激光光斑過小，易造成熱量集中，不利于工件均勻受熱，導(dǎo)致較高的熱應(yīng)力，因此光斑尺寸的選擇不宜過小。

4.1.3 距離對材料去除率的影響

圖8為以不同加熱點到加工點距離(分別為0、1、3、5 mm)的激光加工工程陶瓷，測得的凹槽平均寬度和平均深度。可以看出:隨著加熱點到加工點距離的增加，凹槽的平均寬度和平均深度先增大后減小，即材料去除率先增大后減小。加熱點到加工點距離對溫度的影響包括2個方面:一是隨著距離的增加，Si3N4陶瓷工件加工區(qū)域?qū)す獾奈章蕼p小，進而導(dǎo)致溫度降低;二是隨著距離的增加，激光對Si3N4陶瓷工件的預(yù)熱時間增加，從而導(dǎo)致溫度升高。這2方面的綜合作用導(dǎo)致陶瓷試件的溫度不隨距離單調(diào)變化。當距離從0增加到1 mm時，預(yù)熱時間增加導(dǎo)致溫度升高的作用強于激光吸收率減小導(dǎo)致溫度降低的作用，故而溫度升高，進而擴大材料去除區(qū)域，使材料去除率增加;當距離超過1 mm后，2個方面的因素相互作用，致使溫度降低，材料去除區(qū)域縮小，材料去除率相應(yīng)減小。

圖8 距離對加工尺寸的影響

4.2 加工參數(shù)對崩碎的影響

4.2.1 激光功率對崩碎的影響

圖9為采用不同功率(分別為100、150、200、250 W)的激光加熱輔助加工工程陶瓷時，測得并計算出的凹槽尺寸方差。從總體趨勢上可以看出:隨著激光功率的增加，平均寬度方差和平均深度方差減小，即尺寸精度增加，崩碎減少。其原因是:在一定范圍內(nèi)激光功率增加時，陶瓷工件總體溫度升高，容易達到Si3N4陶瓷的脆塑性轉(zhuǎn)變溫度，且引弧瞬間產(chǎn)生的熱應(yīng)力減小。

圖9 激光功率對尺寸方差的影響

激光加熱具有局部快速升溫的特點，當激光功率過高時，導(dǎo)致預(yù)熱期間溫度過高，易產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，在引弧微爆炸沖擊力作用下極易造成陶瓷試件的碎裂，故激光功率不宜太大。

4.2.2 光斑尺寸對崩碎的影響

圖10為以不同光斑尺寸(分別為3.58、5.32、6.53、8.48 mm2)的激光加工工程陶瓷，測得并計算出的凹槽尺寸方差。可以看出:隨著光斑面積的增大，凹槽尺寸方差先減小后增大。激光功率一定時，光斑面積越小，則激光熱流密度越大，試件溫度越高。但光斑面積太小，容易造成熱量集中，工件上產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力，在引弧微爆炸沖擊力作用下容易導(dǎo)致崩碎，方差增大;而光斑面積太大，則溫度不足，預(yù)熱溫度達不到Si3N4陶瓷試件的脆塑轉(zhuǎn)變溫度，引弧微爆炸加工崩碎得不到有效控制，也導(dǎo)致尺寸方差增大。

圖10 光斑尺寸對尺寸方差的影響

4.2.3 距離對崩碎的影響

圖11為不同加熱點到加工點距離(分別為0、1、3、5 mm)的激光加工工程陶瓷，測量并計算出的凹槽尺寸方差。可以看出:隨著距離的增加，凹槽尺寸方差先減小后增大。當距離從0增加到1 mm時，預(yù)熱時間增加導(dǎo)致溫度升高的作用大于激光吸收率減小導(dǎo)致溫度降低的作用，故溫度升高，有利于Si3N4陶瓷工件的軟化，利于崩碎的控制;當距離超過1 mm后，兩方面因素相互作用，致使溫度降低，不利于崩碎的控制。

圖11 距離對尺寸方差的影響

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